基于FPGA的“俄罗斯方块”设计

在当今的数字时代，现场可编程门阵列（FPGA）因其灵活性和高性能，被广泛应用于各种嵌入式系统和游戏开发中。本文将介绍一个基于FPGA的“俄罗斯方块”游戏设计，详细阐述系统架构、模块划分及实现原理，并附上部分代码示例。

一、设计背景与目的

“俄罗斯方块”是一款经典的休闲游戏，通过移动、旋转和摆放自动输出的各种方块，使之排列成完整的一行或多行并消除得分。本项目旨在通过FPGA平台，设计并实现这一经典游戏，熟悉FPGA的开发流程，掌握有限状态机（FSM）与数据路径（Datapath）的设计方法。

二、系统架构与模块划分

整个系统基于Xilinx Zynq系列开发板ZedBoard，采用自上而下的层次化设计方法，由六个主要模块组成：键盘输入模块、按键输入处理模块、控制模块、数据路径模块、VGA显示模块以及数码管计分模块。

键盘输入模块：负责接收玩家通过键盘输入的WASD键信号，用于控制方块的移动和旋转。

按键输入处理模块：对输入信号进行消抖处理和上升沿检测，确保信号的稳定性和准确性。

控制模块：采用FSM方式，定义了10个状态，包括空闲（S_idle）、生成新方块（S_new）、保持（S_hold）、下移（S_down）、移动（S_move）、更新坐标（S_shift）、更新矩阵（S_remove_1）、消除（S_remove_2）、判断游戏结束（S_isdie）和停止（S_stop）。

数据路径模块：根据控制模块的信号，判断俄罗斯方块的逻辑状态，更新背景矩阵。背景矩阵是一个24行10列的寄存器组，用于保存非活动方块的坐标信息。

VGA显示模块：通过VGA接口控制屏幕显示，将游戏画面输出到显示屏上。

数码管计分模块：负责显示玩家的当前分数，每消除一行方块，分数增加。

三、实现原理与代码示例

按键输入处理：

按键处理模块采用4位移位寄存器进行消抖处理，通过比较前后两个时钟周期的按键信号，检测上升沿。

verilog

reg [3:0] debounce_reg;  

always @(posedge clk) begin  

   debounce_reg <= {debounce_reg[2:0], key_in};  

   if (debounce_reg == 4'b1111)  

       key_out <= 1;  

   else  

       key_out <= 0;  

end

FSM控制模块：

控制模块根据当前状态和输入信号，输出控制信号到下一个状态。例如，当接收到start信号时，从空闲状态跳转到生成新方块状态。

verilog

case (current_state)  

   S_idle: if (start == 1) next_state <= S_new;  

   S_new: // 生成新方块逻辑  

   S_hold: if (timer_expired || (key_down && key_valid)) next_state <= S_down;  

   // 其他状态逻辑...  

endcase

VGA显示模块：

VGA显示模块通过控制行同步信号、场同步信号以及红绿蓝三色信号，实现屏幕显示。时钟分频模块将系统时钟分频至适合显示屏的刷新率。

verilog

always @(posedge clk) begin  

   if (counter == 640*480-1) begin  

       counter <= 0;  

       hsync <= ~hsync; // 行同步信号翻转  

       if (vsync_counter == 525-1) begin  

           vsync_counter <= 0;  

           vsync <= ~vsync; // 场同步信号翻转  

       end else begin  

           vsync_counter <= vsync_counter + 1;  

       end  

   end else begin  

       counter <= counter + 1;  

   end  

   // 红绿蓝信号生成逻辑...  

end

四、总结与展望

本文介绍了基于FPGA的“俄罗斯方块”游戏设计，详细阐述了系统架构、模块划分及实现原理，并附上了部分代码示例。通过该项目，不仅熟悉了FPGA的架构和开发流程，还掌握了FSM与Datapath的设计方法。未来，将继续深入学习FPGA技术，探索更多有趣的项目和应用。

由于篇幅限制，上述代码仅为示例，并未展示完整的游戏逻辑和所有模块的实现。在实际开发中，需要根据具体需求进行详细的模块划分和代码编写。希望本文能为读者提供一个清晰的框架和思路，启发更多关于FPGA游戏开发的创新想法。